Предположим, что формированием организма, как и большинством процессов жизнедеятельности клетки, управляет разрыхление хроматина. Тогда

• Где и в каком виде хранится нужная для этого информация?
  
• Как она попадает в клетку?
  
• Как трансформируется в определенную картину разрыхления хроматина?
  

Для нормального развития организма каждая клетка должна обладать информацией двоякого рода.

1. Во-первых, нужна информация о том, какой структурой обладает особь в данный момент (на какой стадии развития она находится), и какое место занимает конкретная клетка в данной структуре.

2. Во-вторых, нужна информация о том, как должна вести себя клетка, находящаяся в данное время в данном месте.

Если информация первого типа обязана прийти в клетку извне, то информация второго типа вполне может находиться и в самой клетке. Есть особенность процессов развития (по научному, морфогенеза), позволяющая установить местонахождение информации о плане действий каждой клетки. Дело в том, что наследование форм организмов подчиняется тем же менделевским законам, которым подчинены биохимические процессы.

[Исключения очень редки. Например, направление закручивания раковин моллюсков Рhysa Limnaea — в нарушение менделевских законов — наследуется по материнской линии, так как определяется на раннем этапе развития зародыша, когда в нем еще не включена отцовская часть генов, и работают запасенные ранее молекулы материнской протоплазмы (Шмальгаузен, 1982).]

Природа менделевских законов говорит о диплоидном характере носителя наследственной информации. Это, в свою очередь, указывает на то, что она хранится в ядерной ДНК. Только ядерная ДНК представлена в диплоидной форме, т.е. в двух экземплярах — в виде пар однотипных хромосом. Этим фактом и определился вид законов наследования, сформулированных Грегором Менделем и его последователями.

После выяснения носителя информации о структуре организма (что сняло гипотезы, например, о размещении ее в особых фракциях ядерной РНК, на ядерной оболочке и др.), важно разобраться в информационных связях каждой клетки с остальными клетками организма, в связях, используемых процессом морфогенеза.

На примере исследования частоты мутаций зеркально-симметричных органов животного (галтеров или жужжалец дрозофилы) выяснилось, что вероятность появления мутаций, затрагивающих одновременно левые и правые органы животного, равна произведению вероятностей мутаций тех же, но отдельно левых и отдельно правых органов. Отсюда, по теории вероятностей, прямо следовало, что развитие левых и правых органов определяется разными генами, не зависящими друг от друга.

Влияние разных, независимых генов левых и правых органов не отражается на хиральности (параметрах симметрии) молекул, из которых построены клетки этих органов. Например, белки всегда содержат левые аминокислоты, а все сахара, входящие в состав нуклеиновых кислот клеток, — правые. Да и сами клетки и построенные из них ткани (особенно у высших животных), как правило, не отличаются в зависимости от того, принадлежат ли они к левой или правой сторонам организма. Различие между левой и правой сторонами можно увидеть лишь на уровне органов и организма в целом.

Симметрию клеток, принадлежащих левой и правой сторонам организма, при микроскопических исследованиях иногда удается обнаруживать у некоторых животных, обладающих малым и постоянным в пределах вида (явление эвтелии) количеством клеток. Лишь в редких случаях можно обнаружить симметрию образцов биологических тканей, взятых от левой и правой частей организма, например, по наклону или направлению закручивания волосков эпителиальной ткани.

Складывается любопытная ситуация: хотя зеркально-симметричные органы кодируются  отдельно  друг от друга,  разными генами, эта особенность не сказывается на уровне молекул — ее, как правило, нельзя обнаружить на уровнях клеток и даже тканей. Раздельное влияние генов неожиданно (и в полной мере) проявляется лишь на уровне органов и организма в целом!

Отсюда вытекает, что формирование зеркально-симметричных органов нельзя объяснить какими-либо вариантами самосборки. При самосборке, опосредованной или направленной сборке, характер симметрии крупных структур опирается на характер симметрии составляющих элементов предыдущих размерных уровней, чего в анатомии не наблюдается. Это — одна из причин того, почему не вызывает интереса широкий класс гипотез наследственного управления морфогенезом, опирающихся на принципы близких взаимодействий клеток (например, упомянутая выше матриксная гипотеза Шеррера).

Остается искать такую систему управления морфогенезом, которая использует  дальнодействующие  информационные связи — непосредственные связи между уровнем генов и уровнем органов или организма. Размеры отдельных видов животных достигают десятков метров, но и это не мешает им иметь симметричные левые и правые органы! Следовательно, нужно искать в организмах информационные связи, способные обеспечить такую протяженность.

[Не следует забывать также о растениях, длина которых превышает сотню метров (например, эвкалипт или секвойя), хотя здесь аргументация, основанная на параметрах симметрии, по-видимому, неприменима. Но и в случае растений, трудно представить себе формирование целостного организма, не связанного, по крайней мере, в период развития, внутренними информационными связями. Рекордсменом по размеру организма является, пожалуй, саргассовая водоросль, длина которой достигает 200 метров.]

Идея Алана Тьюринга

Опыт учит, что информация не может переноситься в пространстве нематериальным способом. Перенос информации всегда реализуется на основе переноса вещества либо переноса энергии (например, в виде волновых полей). Попытка объяснить передачу информации (при формировании многоклеточного организма) на базе перемещений веществ, диффузии особых сигнальных молекул — морфогенов, отражена в разработках, получивших собирательное название Теории Диссипативных Структур (ТДС).

Эта теория была инициирована работой выдающегося английского математика Алана Тьюринга (Turing, 1952), показавшего, что химические реакции между диффундирующими в растворе молекулами способны при определенных условиях создавать в первоначально однородной среде сложную и закономерную картину распределения концентраций веществ.

Согласно расчетам, при таких взаимодействиях по длине сосуда-реактора возникают «пятна» преимущественной концентрации то одного, то другого реагента. При одних значениях параметров они неустойчивы, при других — приобретают устойчивый рисунок так называемых диссипативных структур.

Представлялось, что различие концентраций способно задать строение формирующегося организма. ТДС представлена большим числом исследований. Кроме того, она дала толчок возникновению новой науки — синергетики (Хакен, 1980), рассматривающей вопросы совместного протекания процессов, различных по своей природе или по параметрам.

Хотя делаются попытки объяснения с позиций синергетики самых различных природных и общественных явлений, основной пафос этой науки — в убеждении, что через связь биологических процессов с формированием диссипативных структур она, в конце концов, раскроет загадку управления развитием многоклеточных организмов.

Математическая сторона ТДС не вызывает возражений. По-видимому, жизнь могла бы развиваться по предложенному в ТДС сценарию; на базе подобных принципов могли бы формироваться повторяющиеся из поколения в поколение многоклеточные организмы с довольно сложной анатомией. Но постепенно выяснилось, что на практике живая природа пошла каким-то другим путем — то множество сигнальных молекул (морфогенов), что постулировано теорией диссипативных структур, обнаружить не удалось.

Если ТДС может объяснить формирование организмов, например, с центральной симметрией (морских звезд и т.п.), то формирование организмов с зеркальной (билатеральной) симметрией с позиций ТДС необъяснимо, хотя именно они составляют подавляющее большинство биологических видов (более миллиона видов насекомых, позвоночные и др.).

Расчеты показали, что при реальных скоростях диффузии молекул, ТДС способна объяснить лишь формирование структур размерами до 1 мм. Сторонники ТДС пытаются обойти эту трудность предположением, что организм сначала формируется в малых размерах (до 1 мм!), а затем только растет. Но это противоречит реальному развитию крупных организмов, а также процессам регенерации, когда, например, у гигантского осьминога отрастает откушенный касаткой щупалец. Того крохотного осьминога (до 1 мм), который мог бы быть моделью для восстановления строения тела, здесь нет и в помине. Выходит, что все богатство жизни, которое мы видим невооруженным глазом, с позиций ТДС необъяснимо.

В ходе развития организма очень большое значение имеют процессы пропорционального (или непропорционального, анизотропного) роста сформированных структур. Но и в этом смысле ТДС не решает задачи. Как будет показано ниже, ТДС принципиально не способна объяснить рост организмов.

Д'Арси-Томпсон обнаружил (Thomрson, 1942), что формы одного животного (контур рыбы, кость птицы и т.п.) часто удается точно совместить с формами животного другого биологического вида, если подвергнуть изображение плавному растяжению, сжатию, перекосу или другим простым деформациям. Все говорит о передаче от предков к далеким потомкам не только биохимических процессов, но и пространственного образа, способного плавно деформироваться в ходе эволюции. Если формы организма, костей и т.п. еще мыслимо объяснить картиной пространственного расположения морфогенов, сформированной структурообразующими химическими реакциями, то уж плавное деформирование такой картины в ходе эволюции вовсе не укладывается в рамки ТДС.

Выводы ТДС могут быть распространены только на организмы, где диффузия молекул не искажается более интенсивными процессами переноса веществ. Между тем, у большинства животных существуют циркулирующие по сосудам жидкости внутренней среды (кровь, лимфа, жидкость амбулакральных каналов и др.). Принудительный перенос перекачиваемой сердцем крови влияет на распределение веществ неизмеримо сильнее, чем диффузия. Поэтому после появления у зародыша первых признаков кровообращения приложение ТДС к процессам развития становится некорректным.

С точки зрения ТДС, для формирования многоклеточного организма безразлично, окружены ли гены внутри клетки ядерной оболочкой. Между тем, при всем удивительном многообразии жизни, не известно ни одного многоклеточного организма, сформированного из безъядерных клеток.

ТДС не объясняет:

• Почему для многоклеточных организмов принципиально важным стало определенное пространственное расположение генов в ядре?
  
• Почему, в отличие от прокариот, у многоклеточных организмов ДНК зафиксирована в пространстве ядра и подчиняется многочисленным пространственным закономерностям?
  
• Почему, при переходе к многоклеточным организмам объектом эволюции стало, прежде всего, пространственное расположение генов внутри ядер, тогда как у прокариот эволюционировали, главным образом, аминокислотные последовательности белков?
  
• Почему скорость эволюции крупных таксонов эукариот оказалась близкой к скорости перестроек структуры ядер (Nei, 1975)?
  

Все это, очевидно, противоречит идеям ТДС. Реальная жизнь явно пошла не по тому пути, который рассматривала теория диссипативных структур.

[Кроме ТДС существует немало других гипотез о механизмах морфогенеза. Например, Л. В. Белоусов (чья точная формулировка ситуации в биологии развития в 1980 году существенно помогла разработке концепции, которая будет изложена ниже) акцентирует внимание на возникновении неустойчивых состояний развивающейся системы с последующей случайной бифуркацией в одно из двух новых устойчивых состояний. Общим отличием и недостатком этой группы гипотез является то, что они не отвечают на главный вопрос — как из простого (из одной клетки) закономерно развивается нечто гораздо более сложное (многоклеточный организм).

Во всех странах анатомия человека описывается одинаково, при изучении используются одинаковые рисунки и муляжи. Это показывает, что миллиарды особей формируются по одному и тому же сложному плану, и система, управляющая построением организма, действует очень четко. Нарушения развития или уродства встречаются довольно редко. Говорить о случайном выборе вариантов развития никак не приходится. И о бифуркациях имело бы смысл говорить только в том случае, если бы они были закономерны, если бы был показан информационный механизм, четко определяющий направление каждой бифуркации, например, для формирования в одном случае — организма соловья, в другом — кукушки и т.д.]

Можно заключить, что в предшествующий период только ТДС предложила вполне логичное теоретическое объяснение факта закономерного формирования сложной структуры организма из более простой зародышевой клетки. Проанализировав более чем за 40 лет все мыслимые варианты управления морфогенезом на основе переноса информации веществом (за счет диффузии молекул), разработчики ТДС нарисовали математически корректную картину, которая, однако, не совпала с реальной жизнью. Поскольку такой итог никого не мог удовлетворить, они искали вновь и вновь, но результат оставался прежним.

Это заставляет думать, что основной объем информации, обслуживающей морфогенез, вероятнее всего, передается не с помощью переноса веществ, а с помощью менее исследованного переноса энергии, т.е. волновыми полями.